La ceramografía es el arte y la ciencia de la preparación, examen y evaluación de microestructuras cerámicas . [1] La ceramografía puede considerarse como la metalografía de la cerámica. La microestructura es el nivel de estructura de aproximadamente 0,1 a 100 μm , entre la longitud de onda mínima de la luz visible y el límite de resolución del ojo desnudo. La microestructura incluye la mayoría de los granos, fases secundarias, límites de grano , poros, microfisuras y microindentaciones de dureza. La mayoría de las propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas se ven significativamente afectadas por la microestructura. El método de fabricación y las condiciones del proceso generalmente están indicados por la microestructura. La causa fundamental de muchos fallos cerámicos es evidente en la microestructura. La ceramografía forma parte del campo más amplio de la materialografía, que incluye todas las técnicas microscópicas de análisis de materiales, como la metalografía, la petrografía y la plastografía. La ceramografía generalmente se reserva para cerámicas de alto rendimiento para aplicaciones industriales, como 85–99,9 % de alúmina (Al 2 O 3 ) en la Fig. 1, circonio (ZrO 2 ), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si 3 N 4 ). ) y composites de matriz cerámica . Rara vez se utiliza en cerámica blanca , como artículos sanitarios, revestimientos y vajillas.
La ceramografía evolucionó junto con otras ramas de la materialografía y la ingeniería cerámica . Alois de Widmanstätten de Austria grabó un meteorito en 1808 para revelar bandas de ferrita pro eutectoide que crecieron en límites de granos de austenita anteriores . El geólogo Henry Clifton Sorby , el "padre de la metalografía", aplicó técnicas petrográficas a la industria del acero en la década de 1860 en Sheffield, Inglaterra. [2] El geólogo francés Auguste Michel-Lévy ideó un gráfico que correlacionaba las propiedades ópticas de los minerales con su color y espesor transmitidos en la década de 1880. El metalúrgico sueco JA Brinell inventó la primera escala de dureza cuantitativa en 1900. [3] Smith y Sandland desarrollaron la primera prueba de dureza por microindentación en Vickers Ltd. en Londres en 1922. [4] El microscopista nacido en Suiza AI Buehler inició el primer fabricante de equipos metalográficos cerca Chicago en 1936. Frederick Knoop y sus colegas de la Oficina Nacional de Estándares desarrollaron una prueba de microindentación menos penetrante (que Vickers) en 1939. [5] Struers A/S de Copenhague introdujo el pulidor electrolítico en la metalografía en 1943. George Kehl de Columbia University escribió un libro que fue considerado la biblia de la materialografía hasta la década de 1980. [6] Kehl cofundó un grupo dentro de la Comisión de Energía Atómica que se convirtió en la Sociedad Metalográfica Internacional [7] en 1967.
La preparación de muestras cerámicas para análisis microestructural consta de cinco pasos amplios: aserrado , incrustación, esmerilado , pulido y grabado . Las herramientas y consumibles para la preparación ceramográfica están disponibles en todo el mundo a través de proveedores de equipos de metalografía y empresas de suministros de laboratorio .
La mayoría de las cerámicas son extremadamente duras y deben ser cortadas en húmedo con una hoja circular incrustada con partículas de diamante. Generalmente es adecuada una sierra para metalografía o lapidaria equipada con un disco de diamante de baja densidad . [8] [ cita necesaria ] La hoja debe enfriarse mediante una pulverización líquida continua. [8]
Para facilitar una preparación adicional, la muestra aserrada suele incrustarse (o montarse o encapsularse) en un disco de plástico de 25, 32 o 38 mm de diámetro. [9] [ cita necesaria ] Una resina sólida termoestable , activada por calor y compresión , por ejemplo, epoxi con carga mineral , es la mejor para la mayoría de las aplicaciones. Se puede utilizar una resina moldeable (líquida) como epoxi, acrílica o poliéster sin relleno para cerámica refractaria porosa o dispositivos microelectrónicos . [10] Las resinas moldeables también están disponibles con tintes fluorescentes que ayudan en la microscopía de fluorescencia . Las muestras izquierda y derecha en la Fig. 3 estaban incrustadas en epoxi lleno de minerales. El refractario central de la Fig. 3 estaba incrustado en acrílico transparente moldeable.
El pulido es la abrasión de la superficie de interés mediante partículas abrasivas , generalmente diamante, que están adheridas a papel o a un disco metálico. El esmerilado borra las marcas de sierra, alisa toscamente la superficie y elimina el material a la profundidad deseada. Una secuencia de pulido típica para cerámica es de un minuto en un disco de diamante aglomerado con metal de grano 240 que gira a 240 rpm y se lubrica con agua corriente, seguido de un tratamiento similar en un disco de grano 400. La muestra se lava en un baño ultrasónico después de cada paso. [9] [ cita necesaria ]
El pulido es la abrasión mediante abrasivos libres que están suspendidos en un lubricante y pueden rodar o deslizarse entre la muestra y el papel. El pulido borra las marcas de esmerilado y suaviza la muestra hasta obtener un acabado similar a un espejo. El pulido sobre una platina metálica desnuda se llama lapeado . Una secuencia de pulido típica para cerámica es de 5 a 10 minutos cada una con pasta o suspensión de diamante de 15, 6 y 1 μm sobre papel sin pelo que gira a 240 rpm. La muestra se lava nuevamente en un baño ultrasónico después de cada paso. Los tres conjuntos de especímenes de la Fig. 3 han sido aserrados, incrustados, rectificados y pulidos.
El grabado revela y delinea los límites de los granos y otras características microestructurales que no son evidentes en la superficie pulida. Los dos tipos de grabado más habituales en ceramografía son la corrosión química selectiva y un tratamiento térmico que provoca relieve . Por ejemplo, la alúmina se puede grabar químicamente mediante inmersión en ácido fosfórico concentrado hirviendo durante 30 a 60 s, o grabar térmicamente en un horno durante 20 a 40 minutos a 1500 °C (2730 °F) en aire. La encapsulación de plástico debe retirarse antes del grabado térmico. La alúmina en la Fig. 1 fue grabada térmicamente.
Alternativamente, las cerámicas no cúbicas se pueden preparar como secciones delgadas , también conocidas como petrografía , para examinarlas mediante microscopía de luz transmitida polarizada. En esta técnica, la muestra se corta hasta aproximadamente 1 mm de espesor, se pega a un portaobjetos de microscopio y se muele o se corta (por ejemplo, con un micrótomo ) hasta un espesor ( x ) cercano a 30 μm. [11] [12] Se pega un cubreobjetos sobre la superficie expuesta. Los adhesivos, como la resina epoxi o bálsamo de Canadá , deben tener aproximadamente el mismo índice de refracción (η ≈ 1,54) que el vidrio. La mayoría de las cerámicas tienen un coeficiente de absorción muy pequeño (α ≈ 0,5 cm −1 para la alúmina en la Fig. 2) en la siguiente ley de Beer-Lambert y se pueden observar con luz transmitida. Las cerámicas cúbicas , por ejemplo, la circona y la espinela estabilizadas con itria , tienen el mismo índice de refracción en todas las direcciones cristalográficas y, por lo tanto, aparecen negras cuando el polarizador del microscopio está desfasado 90° con respecto a su analizador .
Las muestras ceramográficas son aislantes eléctricos en la mayoría de los casos y deben recubrirse con una capa conductora de metal o carbono de ~ 10 nm para microscopía electrónica, después del pulido y grabado. La aleación de oro o Au-Pd de un recubridor por pulverización catódica o un recubridor por evaporación también mejora el reflejo de la luz visible de la superficie pulida bajo un microscopio, mediante la siguiente fórmula de Fresnel . La alúmina desnuda (η ≈ 1,77, k ≈ 10 −6 ) tiene un coeficiente de extinción insignificante y refleja sólo el 8% de la luz incidente del microscopio, como en la Fig. 1. Recubierta de oro ( η ≈ 0,82, k ≈ 1,59 @ λ = 500 nm) la alúmina refleja el 44% en el aire y el 39% en aceite de inmersión .
Las microestructuras cerámicas se analizan con mayor frecuencia mediante microscopía de luz visible reflejada en campo claro . Darkfield se utiliza en circunstancias limitadas, por ejemplo, para revelar grietas. La luz transmitida polarizada se utiliza con secciones delgadas, donde el contraste entre granos proviene de la birrefringencia . Las microestructuras muy finas pueden requerir mayor aumento y resolución de un microscopio electrónico de barrido (SEM) o un microscopio de barrido láser confocal (CLSM). El microscopio de catodoluminiscencia (CLM) es útil para distinguir fases de refractarios. El microscopio electrónico de transmisión (TEM) y el microscopio acústico de barrido (SAM) tienen aplicaciones especiales en ceramografía.
La ceramografía a menudo se realiza de forma cualitativa, para comparar la microestructura de un componente con un estándar con fines de control de calidad o análisis de fallas . Tres análisis cuantitativos comunes de microestructuras son el tamaño de grano, el contenido de la segunda fase y la porosidad . Las microestructuras se miden según los principios de la estereología , en la que los objetos tridimensionales se evalúan en 2-D mediante proyecciones o secciones transversales. Microestructuras que exhiben tamaños de grano heterogéneos, con ciertos granos creciendo muy grandes, ocurren en diversos sistemas cerámicos y este fenómeno se conoce como crecimiento anormal de grano o AGG. La aparición de AGG tiene consecuencias, positivas o negativas, sobre las propiedades mecánicas y químicas de las cerámicas y su identificación es a menudo el objetivo del análisis ceramográfico.
El tamaño de grano se puede medir mediante los métodos de fracción lineal o fracción de área de ASTM E112. En los métodos de fracción lineal, un tamaño de grano estadístico se calcula a partir del número de granos o límites de grano que cruzan una línea de longitud conocida o un círculo de circunferencia conocida. En el método de fracción de área, el tamaño de grano se calcula a partir del número de granos dentro de un área conocida. En cada caso, la medición se ve afectada por las fases secundarias, la porosidad, la orientación preferida , la distribución exponencial de tamaños y los granos no equiaxiales. El análisis de imágenes puede medir los factores de forma de granos individuales según ASTM E1382.
El contenido de la segunda fase y la porosidad se miden de la misma manera en una microestructura, como la ASTM E562. El procedimiento E562 es un método de fracción puntual basado en el principio estereológico de fracción puntual = fracción de volumen, es decir, P p = V v . El contenido de la segunda fase en cerámicas, como los bigotes de carburo en una matriz de óxido, generalmente se expresa como una fracción de masa . Las fracciones de volumen se pueden convertir en fracciones de masa si se conoce la densidad de cada fase. El análisis de imágenes puede medir la porosidad, la distribución del tamaño de los poros y las fracciones de volumen de las fases secundarias según ASTM E1245. Las mediciones de porosidad no requieren grabado. Las microestructuras multifásicas no requieren grabado si el contraste entre fases es adecuado, como suele ser el caso.
El tamaño de grano, la porosidad y el contenido de la segunda fase se han correlacionado con propiedades cerámicas como la resistencia mecánica σ mediante la ecuación de Hall-Petch . La dureza , la tenacidad , la constante dieléctrica y muchas otras propiedades dependen de la microestructura.
La dureza de un material se puede medir de muchas formas. La prueba de dureza de Knoop , un método de dureza por microindentación, es el más reproducible para cerámicas densas. También se pueden utilizar la prueba de dureza Vickers y las escalas superficiales de Rockwell (por ejemplo, 45 N), pero tienden a causar más daño superficial que Knoop. La prueba Brinell es adecuada para metales dúctiles, pero no para cerámicas. En la prueba de Knoop, se introduce un penetrador de diamante en forma de pirámide alargada en una superficie pulida (pero no grabada) bajo una carga predeterminada, típicamente 500 o 1000 g. La carga se mantiene durante algún tiempo, digamos 10 s, y el penetrador se retrae. La sangría diagonal larga ( d , μm , en la Fig. 4) se mide bajo un microscopio y la dureza de Knoop (HK) se calcula a partir de la carga (P, g ) y el cuadrado de la longitud diagonal en las ecuaciones siguientes. Las constantes representan el área proyectada del penetrador y los factores de conversión de unidades. La mayoría de las cerámicas de óxido tienen una dureza Knoop en el rango de 1000 a 1500 kg f /mm 2 (10 a 15 G Pa ), y muchos carburos superan los 2000 (20 GPa). El método se especifica en ASTM C849, C1326 y E384. La dureza de microindentación también se denomina dureza de microindentación o simplemente microdureza. La dureza de partículas muy pequeñas y películas delgadas de cerámica, del orden de 100 nm, se puede medir mediante métodos de nanoindentación que utilizan un penetrador Berkovich .
La tenacidad de la cerámica se puede determinar mediante una prueba Vickers bajo una carga de 10 a 20 kg. La tenacidad es la capacidad de un material para resistir la propagación de grietas . Se han formulado varios cálculos a partir de la carga (P), el módulo elástico (E), la dureza de microindentación (H), la longitud de la grieta [13] ( c en la Fig. 5) y la resistencia a la flexión (σ). [14] Las barras de módulo de ruptura (MOR) con una sección transversal rectangular están indentadas en tres lugares sobre una superficie pulida. Las barras se cargan en flexión de 4 puntos con la superficie pulida y dentada en tensión, hasta que se fracturan. La fractura normalmente se origina en una de las indentaciones. Las longitudes de las grietas se miden bajo un microscopio. La tenacidad de la mayoría de las cerámicas es de 2 a 4 MPa √ m , pero el circonio endurecido llega a 13 y los carburos cementados suelen superar los 20. [15] Los métodos de tenacidad por indentación han sido desacreditados recientemente y están siendo reemplazados por métodos más Métodos rigurosos que miden el crecimiento de grietas en una viga con muescas en flexión. [dieciséis]
![{\displaystyle K_{isb}=0,59\left({\frac {E}{H}}\right)^{1/8}[\sigma (P^{1/3})]^{3/4} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c1032213c562f9d5c75099a68822872c144487a)